CN103250614A - 新型光伏电脑自动微灌溉系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型光伏电脑自动微灌溉系统，包括电源子系统、灌溉子系统、主控制器和用于监测环境参数的数据采集装置。灌溉子系统包括抽水泵、蓄水池、灌溉管道、蓄能水塔和流路转换阀，抽水泵从蓄水池抽出的水经流路转换阀可分别与蓄能水塔、灌溉管道连通，蓄能水塔的出水口经截止阀与灌溉管道连通，蓄能水塔内设有液位传感器，主控制器与液位传感器电连接用以检测蓄能水塔的水位信号，主控制器依照检测的电量信号及水位信号判定是否驱动抽水泵向蓄能水塔充水将过剩太阳能转换为水势能。本发明实现了以太阳能作为动力，根据植物的生长周期实施智能自动节水灌溉，克服了定时浇灌的盲目性，具有很好的节能减排效应。

Description

新型光伏电脑自动微灌溉系统

 

技术领域

本发明属于农业和园林灌溉领域，特别涉及一种新型光伏电脑自动微灌溉系统，可应用农作物和花草自动灌溉。

 

背景技术

目前国内外的节水灌溉方法主要有三种形式：喷灌、微灌(滴灌、微喷灌、小管出流灌和渗灌)、行走式节水灌溉。在这些灌溉方法中，大都需人工来开关水阀，或者通过定时方法来控制，易于造成浇水不及时而旱坏植物，浇水过多造成水资源的大量浪费。对于经济作物，国外采用了微机控制的温室种作方法，包括送水、送肥、温度控制、干湿控制，虽然自动化程度较高，但设备成本昂贵，且需要提供大量的电力，一般只是用于经济作物，特别是温室作物的无土种植。

目前农村的农田灌溉很多由人工进行，使用水泵等设备进行排灌和噴灌。在作物的温室栽培中，还是采用无控制的滴灌。在这些灌溉方法中，大都需人工来开关水阀，或者通过定时方法来控制，易于造成浇水不及时而旱坏植物，浇水过多造成水资源的大量浪费。针对我国的国情，研究运用太阳能、传感技术和微电脑控制等先进技术组成的高效、先进和低成本的节水灌溉器，已迫在眉睫，是非常有实施的必要性的。

 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种控制方便、智能化程度高的新型光伏电脑自动微灌溉系统。

本发明是这样实现的，提供一种新型光伏电脑自动微灌溉系统，包括电源子系统、灌溉子系统、主控制器和用于监测环境参数的数据采集装置；电源子系统包括光伏供电装置、蓄电池和充电控制器；充电控制器与蓄电池连接用以检测蓄电池的电量信号；灌溉子系统包括抽水泵和灌溉管道，光伏供电装置、蓄电池分别与抽水泵电连接，灌溉子系统还包括蓄能水塔、流路转换阀和截止阀，抽水泵经流路转换阀可分别与蓄能水塔、灌溉管道连通，蓄能水塔的出水口经截止阀与灌溉管道连通，主控制器与流路转换阀电连接用以转换出水方向，蓄能水塔内设有液位传感器，主控制器与液位传感器电连接用以检测蓄能水塔的水位信号，主控制器依照检测的电量信号及水位信号判定是否驱动抽水泵向蓄能水塔充水将过剩太阳能转换为水势能，主控制器依照检测到电量信号判定是否驱动截止阀开启以连通蓄能水塔的出水口和灌溉管道。

进一步地，数据采集装置包括土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器，土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器分别与主控器连接；主控器接收并处理土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器的数据信号。

进一步地，主控制器可直接联接电脑，电脑可显示数据采集装置的数据信号，并可设置主控制器的运行参数；电脑可参考不同季节气候引起的气象参数变化下的植物生长周期情况，制定适合于灌溉区农作物生长的灌溉策略。

具体地，电源子系统包括逆变器，可将光伏供电装置的直流电能转换成交流电，给电脑提供电源。

进一步地，数据采集装置包括土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器，土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器分别设有无线发射装置，主控器设有可与无线发射装置对应的无线接收装置；主控器接收并处理土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器的数据信号。

进一步地，主控制器可通过无线传输方式联接电脑，电脑可显示数据采集装置的数据信号，并可设置主控制器的运行参数；电脑可参考不同季节气候引起的气象参数变化下的植物生长周期情况，制定适合于灌溉区农作物生长的灌溉策略。

进一步地，蓄能水塔位置高于灌溉区，并能为灌溉水提供充足的灌溉势能。

进一步地，液位传感器包括上液位传感器和下液位传感器。

进一步地，灌溉子系统还设有蓄水池，蓄水池与抽水泵直接联接。

进一步地，灌溉子系统还设有回水管，回水管可把灌溉区的多余水分回流到蓄水池。

与现有技术相比，本发明主要运用太阳能、传感技术和电脑控制等先进技术，在不需市电和布埋线的条件下，实现微功耗的水阀开启和关闭，并能自动感应土壤的温湿度和环境的温湿度，根据不同季节、不同植物生长周期的需要进行自动节水灌溉。本发明使用时只需把温湿探测电极插入深度适当的土壤中和设置在灌溉区内，数据采集卡通过AD转换将土壤温湿度和环境温湿度分别呈现于电脑上。在电脑上，可以根据灌溉植物不同时期、不同生长周期所需的水量值进行一定的预设。当土壤温湿度低于预设的标准植时，数据采集卡就会控制电磁阀的开启，实现自动化灌溉。当土壤温湿度值等于或大于标准值时，数据采集卡控制电磁阀关闭，停止灌溉，从而达到了对植物生长的全自动控制浇灌。

本发明实现了以太阳能作为动力的自动节水灌溉，既节省了劳力，又克服了定时浇灌的盲目性，具有很好的节能减排效应和生态环境保护效益。

 

附图说明

图1为本发明的一较佳实施例的示意图；

图2为图1工作流程意图。

 

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1所示，是本发明的一个较佳实施例，本实施例的新型光伏电脑自动微灌溉系统包括电源子系统1、灌溉子系统2、主控制器3和用于监测环境参数的数据采集装置4。

电源子系统1为整个系统提供稳定可靠的电源供应，且留有一定的功率余量。电源子系统1包括光伏供电装置11、蓄电池12和充电控制器13。充电控制器13与蓄电池12连接用以检测蓄电池12的电量信号。电源子系统1用于把太阳能转化为电能，通过充电控制器13给蓄电池12充电，为蓄电池12提供过充、过放保护。电源子系统1还包括逆变器5，可将光伏供电装置11的直流电能转换成交流电，给本系统其它使用交流电的用电设备提供电源。

灌溉子系统2包括抽水泵21、蓄水池22和灌溉管道23，光伏供电装置11、蓄电池12分别与抽水泵21电连接。在本实施例中，抽水泵21使用直流电驱动。当然，抽水泵21也可以采用交流电机，使用由逆变器5转换的交流电驱动。在保证充足的灌溉水量供给的前提下，蓄水池22可为池塘和河流。灌溉子系统2还包括蓄能水塔24、流路转换阀25和截止阀26。抽水泵21从蓄水池22抽出的水经流路转换阀25可分别与蓄能水塔24、灌溉管道23连通，蓄能水塔24的出水口经截止阀26与灌溉管道23连通。主控制器3与流路转换阀25电连接用以转换出水方向。灌溉子系统2还设有回水管（图中未示出），可把灌溉区的多余水分回流到蓄水池22。蓄能水塔24位置高于灌溉区，并能为灌溉水提供充足的灌溉势能。可以省去灌溉水泵，减少能源消耗。

本实施例实施灌溉时，有两种灌溉方式可供用户选择。方式一：灌溉水直接由抽水泵21从蓄水池22中抽出，经过流路转换阀25转换流向后直接进入灌溉管道23进行灌溉。此时，截止阀26处于关闭状态。方式二：灌溉水从蓄能水塔24底部自然流出，经过截止阀26后进入灌溉管道23进行灌溉。此时，截止阀26处于导通状态，而流路转换阀25换向关闭。在该种方式下，不需要任何电能本系统能实施自动灌溉。特别是，当电源子系统1中光伏供电装置11以及蓄电池12的电能储能不足或蓄水池22水量不足时，因为蓄能水塔24里的水仍然可以用来灌溉，提高了本系统的抗阴天能力。

蓄能水塔24内设有液位传感器27，主控制器3与液位传感器27电连接用以检测蓄能水塔24的水位信号，主控制器3依照检测的电量信号及水位信号判定是否驱动抽水泵21向蓄能水塔24充水将过剩太阳能转换为水势能。主控制器3依照检测到电量信号判定是否驱动截止阀26开启以连通蓄能水塔24的出水口和灌溉管道23。

液位传感器27包括上液位传感器271和下液位传感器272。当水位低于下液位传感器272时，下液位传感器272上的电平信号发生变化，将电平信号输入到主控制器3，然后控制抽水泵21开启，给蓄能水塔24注水，直到水位高于上液位传感器271。此时，上液位传感器271电平发生变化，电平信号输入到主控制器3，然后控制抽水泵21关闭。

当蓄电池12处于充电饱和状态下，且此时蓄能水塔24的水位不处于最高水位时，本发明可以自动启动抽水泵21进行抽水，把灌溉水从蓄水池22抽到蓄能水塔24中存储直至蓄能水塔24的水位处于最高水位为止。本发明可以把过剩太阳能转换成灌溉水的势能，以蓄水替代蓄电，可大幅降低系统的建设和维护成本，增加灌溉水量储备，且全自动运行，无须人工值守。同时，在保证灌溉水量充足的情况下，可以延长本系统的电能使用时间。考虑到长时间阴雨天气、太阳能系统需要检修等特殊情况，可以考虑增加蓄能水塔24的容积或增设备用水塔。

主控制器3可直接联接电脑6，电脑6可显示数据采集装置4的数据信号，并可设置主控制器3的运行参数。电脑6的电源可由逆变器5提供。本系统的另一个实施例是，主控制器3可通过无线传输方式联接电脑6，电脑6可显示数据采集装置4的数据信号，并可设置主控制器3的运行参数。

数据采集装置4包括土壤温湿度传感器41和空气温湿度传感器42。土壤温湿度传感器41和空气温湿度传感器42分别与主控器3连接。主控器3接收并处理土壤温湿度传感器41和空气温湿度传感器42的数据信号。土壤温湿度传感器41用来测量土壤的温度和湿度，空气温湿度传感器42用来测量灌溉区周围环境的温度和湿度，以了解土壤的真实灌溉需求，制定灌溉策略，确定灌溉与否以及灌溉时间长短。本系统还可配有EC（电导率）值和pH值传感器，可对进水和出水进行EC值和pH值的检测，以便控制自动营养液的配给。

本系统的另外一个实施例是，数据采集装置4包括土壤温湿度传感器41和空气温湿度传感器42，土壤温湿度传感器41和空气温湿度传感器42分别设有无线发射装置，主控器3设有可与无线发射装置对应的无线接收装置。主控器3接收并处理土壤温湿度传感器41和空气温湿度传感器的数据信号42。采用无线通信技术，可以减少布线，增强数据采集装置4的灵活性。

土壤温湿度传感器41和空气温湿度传感器42可以将土壤温湿度和空气温湿度分别转换为电压信号，主控制器3通过AD转换将土壤温湿度和空气温湿度分别呈现于电脑5上。主控制器3通过AD转换对蓄电池12电压进行采样，呈现于电脑5上。电脑5界面可显示蓄电池12电压、土壤温湿度、空气温湿度、截止阀26以及充电控制器13的工作状态。电脑5可参考不同季节气候引起的气象参数变化下的植物生长周期情况，制定适合于灌溉区农作物生长的灌溉策略。必要时，用户还可以及时修改并保存灌溉策略。蓄电池12的电压设定值和土壤温湿度标准值可以根据实际需求自由设定。

本系统还可以依据灌溉区的气象条件来设定灌溉策略。由于气象条件的空间变异特征明显，因此本系统还设置有气象数据监测装置，自动采集所需的灌溉区的气象数据，作为当地气象参数的补充。气象数据包括：风向、风速、空气温湿度、辐射和降水量等气象要素。

请参照图2所示，本系统初始化后开始工作，首先进行蓄电池12电量的检测，确定是否对蓄电池12进行充电。然后再进行蓄能水塔24的水位检测，根据前述的说明决定是否打开或关闭抽水泵21，保持蓄能水塔24的水位正常。根据土壤的温湿度检测结果，制定灌溉策略，决定打开或关闭截止阀26，决定实施或终止灌溉。

本系统采用了图形用户界面，用户操作简单方便。通过实时或定时采集的灌溉区土壤水分、土壤温度、空气温湿度等数据，均可以实时地以图形或者表格方式在电脑5上显示。用户可以通过图形界面设定灌溉策略，实现定时、定量的无人值守的自动灌溉。本发明具有多种灌溉控制方式：有手动灌溉、自动连续灌溉、自动间隙灌溉等不同灌溉方式，增加用户的选择范围，同时也扩大了本发明的适用范围。本发明还可以任意设定轮灌组，每个轮灌组可以设定按照任意天间隔进行灌溉，每天可以设定多组不同启动时间。

综上所述，与传统灌溉方式相比，本发明具有如下优点：

a．系统控制方式灵活性，电脑控制喷灌和滴灌，大大节省日趋宝贵的水资源，具有巨大的社会效益和经济效益；

b．根据植物对土壤水份的需求特点设定不同的灌溉方式，使植物按最佳生长周期生长， 达到增产增收的目的；

c．自动灌溉，大大节省人力资源，提高劳动生产率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型光伏电脑自动微灌溉系统，包括电源子系统、灌溉子系统、主控制器和用于监测环境参数的数据采集装置；所述电源子系统包括光伏供电装置、蓄电池和充电控制器；所述充电控制器与蓄电池连接用以检测所述蓄电池的电量信号；所述灌溉子系统包括抽水泵和灌溉管道，其特征在于，所述光伏供电装置、蓄电池分别与抽水泵电连接，所述灌溉子系统还包括蓄能水塔、流路转换阀和截止阀，所述抽水泵经流路转换阀可分别与所述蓄能水塔、灌溉管道连通，所述蓄能水塔的出水口经截止阀与灌溉管道连通，所述主控制器与流路转换阀电连接用以转换出水方向，所述蓄能水塔内设有液位传感器，所述主控制器与液位传感器电连接用以检测蓄能水塔的水位信号，所述主控制器依照检测的所述电量信号及水位信号判定是否驱动所述抽水泵向蓄能水塔充水将过剩太阳能转换为水势能，所述主控制器依照检测到所述电量信号判定是否驱动所述截止阀开启以连通蓄能水塔的出水口和灌溉管道。

2. 如权利要求1所述的新型光伏电脑自动微灌溉系统，其特征在于，所述数据采集装置包括土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器，所述土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器分别与所述主控器连接；所述主控器接收并处理所述土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器的数据信号。

3.如权利要求2所述的新型光伏电脑自动微灌溉系统，其特征在于，所述主控制器可直接联接电脑，所述电脑可显示所述数据采集装置的数据信号，并可设置所述主控制器的运行参数；所述电脑可参考不同季节气候引起的气象参数变化下的植物生长周期情况，制定适合于灌溉区农作物生长的灌溉策略。

4.如权利要求3所述的新型光伏电脑自动微灌溉系统，其特征在于，所述电源子系统包括逆变器，可将所述光伏供电装置的直流电能转换成交流电，给所述电脑提供电源。

5. 如权利要求1所述的新型光伏电脑自动微灌溉系统，其特征在于，所述数据采集装置包括土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器，所述土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器分别设有无线发射装置，所述主控器设有可与所述无线发射装置对应的无线接收装置；所述主控器接收并处理所述土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器的数据信号。

6.如权利要求5所述的新型光伏电脑自动微灌溉系统，其特征在于，所述主控制器可通过无线传输方式联接电脑，所述电脑可显示所述数据采集装置的数据信号，并可设置所述主控制器的运行参数；所述电脑可参考不同季节气候引起的气象参数变化下的植物生长周期情况，制定适合于灌溉区农作物生长的灌溉策略。

7. 如权利要求1所述的新型光伏电脑自动微灌溉系统，其特征在于，所述蓄能水塔位置高于灌溉区，并能为灌溉水提供充足的灌溉势能。

8.如权利要求1所述的新型光伏电脑自动微灌溉系统，其特征在于，所述液位传感器包括上液位传感器和下液位传感器。

9.如权利要求1所述的新型光伏电脑自动微灌溉系统，其特征在于，所述灌溉子系统还设有蓄水池，所述蓄水池与所述抽水泵直接联接。

10. 如权利要求9所述的新型光伏电脑自动微灌溉系统，其特征在于，所述灌溉子系统还设有回水管，所述回水管可把灌溉区的多余水分回流到所述蓄水池。

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